卫星测高技术及其应用整理.docx

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卫星测高技术及其应用整理

卫星测高技术及其应用（word版可编辑修改）

编辑整理：

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卫星测高技术及应用课程回顾

●卫星测高技术发展及应用概述

1卫星测高任务概况

1）SKYLAB：

最早搭载有高度计的卫星－－高度计S193

第一次得到因海底特征引起的海洋大地水准面观测值

奠定了卫星测高学的技术基础

2）GEOS3：

地球动力学实验海洋卫星

第一颗专门用于测高的海洋地形卫星

3）SEASAT：

海洋卫星

持续时间99天

SEASAT首次提供了全球范围的海洋环流、波浪和风速

4）GEOSAT（大地测量卫星）、GFO（GEOSAT后续卫星）

为美国海军测量海洋大地水准面

GEOSAT:

首次提供了具有重复性、高分辨率、长期性高质

量的全球海面高数据集，标志卫星测高技术进入了成熟阶段

5）ERS1/2（欧洲遥感卫星）、ENVISAT（环境卫星）

ERS1采用PRARE：

用来精确确定卫星位置（失败）

6）T/P、JASON1/2

T/P卫星观测精度是同期测高卫星中最高的

两类卫星系列各自的主要特征？

海洋综合环境监测卫星、海洋地形观测卫星

2、卫星测高任务中搭载辐射计的主要目的

ERS1/2、ENVISAT：

MWS（23.8GHz和36.5GHz）

T/P:

TMR（18,21、37GHz）

JASON1:

JMR（18.7GHz、23。

8GHz和34。

0GHz）

JASON2：

AMR（18,21和37GHz）

作用：

对流层水汽改正、风速反演、地表监测

3、双频雷达高度计

ERS1：

单频，Ku波段,13。

8GHz

T/P：

NRA（双频Ku：

13.575，C：

5。

3）,SSALT（单频13。

65）

JASON1：

Poseidon2（双频Ku：

13.575，C：

5。

3）

ENVISAT：

（双频：

Ku：

13。

575，S:

3。

2）

JASON2：

Poseidon3（13.6GHz和5。

3GHz）

使用双频有何目的意义？

双频电离层改正、估计降雨

4、卫星测高任务中使用的主要

定轨方式

LRR、DORIS、PRARE、GPS

DopplerOrbitandRadioPositioningIntegratedbySatellite

PreciseRangeandRange—RateEquipment

5、一般卫星测高任务中需要搭载哪些基本仪器设备，各主要目的是什么？

微波辐射计、雷达高度计、定位系统

6、传统的指向星下点的雷达高度计的主要不足？

可能存在哪些技术改进？

不足：

1）确定深海中尺度现象受到制约；

2）覆盖有限；

3）空间分辨率

改进：

1）改变测高频率（Ka波段测高）

2）改变测高方式（干涉/雷达测高）

3）利用其他信号（GPS）

7、GNSS测高的工作方式？

优缺点？

工作方式：

星载GNSS接收机接收GNSS星座卫星向下发射

并经海面反射的信号，通过测量两个信号的时间延迟，就可

以计算海面高度

优点:

成本低、数据获取量大、覆盖范围广

缺点：

精度低

8、Ka波段测高优缺点？

1）电离层衰减延迟:

基本上可以忽略,因此不需要使用双频高度计.

2）脉冲重复频率高：

ka波段对海面回波地解相关时间要短，有可能增加每秒的独立回波量

3）带宽大：

可以提供更高的垂直分辨率

4）更好描述海面粗糙度

5）穿透性较弱。

冰雪面上雷达信号渗透低

6）Ka波段能更好的对冰、雨、近海地带、陆地物质（例如森林）和波高进行观测。

缺点:

对流层中的水或水蒸气的衰减大,尤其在热带地区。

电磁波受对流层中的水汽延迟响较大

干涉/雷达高度计工作方式？

波束有限和脉冲有限方式，主要采用脉冲有限方式

9、卫星测高技术应用概况

大地测量学、地球物理学、海洋学、气候、水文学、冰川学

10、基本概念

1）海面高度2）平均海面、平均海面高

3）海面地形（SST）、绝对动力地形（ADT）、平均动力地形（MDT）

4）海面异常（SLA、SSHA）5）卫星指向角、卫星指向角误差

6）波形重跟踪（未讲）7）有效波高8）海况偏差（电磁偏差、倾斜偏差）

9）逆气压改正10）入射角

●卫星雷达高度计观测基本原理

1、卫星测高的基本原理

见《空间大地测量学》P188

2、卫星测高两种基本方式的特点

脉冲宽度有限方式、波束宽度有限方式。

与重力异常所要求的10公里的水平分辨率是密切相关

对于海面高度测量值而言，要求天线波束相对较宽，以至于足迹大到足以过滤海面波浪的作用，从而获取平均海面测量值。

同时,足迹也应该足够小，小到可以得到有实际意义的海面测量值

3、当前测高任务主要使用哪些频段，各频段有何有点和不足？

ERS1：

单频，Ku波段，13.8GHz

T/P：

NRA（双频Ku：

13.575，C：

5。

3）,SSALT（单频13.65）

JASON1:

Poseidon2（双频Ku：

13.575，C：

5。

3）

ENVISAT：

（双频:

Ku：

13。

575,S:

3.2）

JASON2：

Poseidon3（13。

6GHz和5。

3GHz）

1）受到国际有关机构的管理和协调，使用频段有限。

卫星的任务目的不同,使用频率不同

2）与天线、发射功率有关（技术上的原因）。

即航空器天线尺寸设计的限制决定了对卫星测高有用的频率非常有限。

3）在海面，电磁辐射中的灰体辐射非常微弱，而在这些频率段内，海水的反射率却非常高，因此，很容易区别雷达的反射和海水的自然辐射。

4）当频率大于18GHz时，大气衰减急剧增加，使得到达海面并反射回到高度计的传播信号功率减小；

5）当频率小于2GHz时，受到地面通信、导航及雷达等民用、军用电磁辐射的干扰

各频段的优点和不足

Ku波段（13.6GHz）:

Ku波段是目前卫星测高使用最多的频段,T/P,JASON-1，ENVISAT，ERS等卫星高度计均使用了Ku波段。

首先，该波段在技术上可行，这与发射功率有关，其次，由于国际上对各波段的使用有相关规定和管理,此外，该波段对大气（包括电离层）扰动敏感。

C波段（5。

3GHz）:

通常认为C波段对电离层扰动的灵敏度高于Ku波段，但对大气液态水的灵敏性弱。

使用C波段的主要作用是与Ku波段观测值联合使用，用来改正电离层的延迟。

S波段（3。

2GHz）：

与C波段类似，S波段也经常与Ku波段联合使用。

4、高度计测风基本原理

当入射角很小时,海面对微波信号的反射主要属于镜面反射，如果海面光滑，那么返回到高度计的信号就越多，也就意味着规格化雷达目标有效截面也就越大;如果海面粗糙,微波信号就会向各个方向反射,许多信号都不可能返回到雷达高度计，从而NRCS也就相对较小。

因此，高度计的NRCS可以由海面粗糙度来确定，海面越粗糙，那么NRCS越小.所以,可以认为NRCS是海面高和倾斜的函数，这个函数的主要参数就是海面均方斜率（meansquareslope：

MSS），而MSS主要由短尺度风浪确定。

一般情况下，风浪主要由海面风生，因此，尽管不是直接的,NRCS还是通过风浪与海面风速存在联系。

5、有哪些主要遥感方式进行海面风速观测

微波高度计、微波散射计、微波辐射计、合成孔径雷达（SAR）

6、卫星雷达高度计的观测信息包括哪些？

精度如何？

卫星高度计观测误差

1、高度计观测误差概况

星载仪器误差：

跟踪器偏差、波形采样增益校正偏差、天线增益模式AGC衰减

多普勒频移、距离加速度、震荡频率漂移、天线指向误差

大气折射改正：

对流层改正、电离层改正

海况偏差：

电磁偏差、倾斜偏差

外部地球物理改正：

大地水准面高、海洋潮汐高、大气压负载

●卫星高度计观测误差

2、基本概念:

指向角或指向角误差、入射角、海况偏差（电磁偏差、倾斜偏差）、逆气压改正

3、影响测高卫星轨道误差的主要因素？

地球重力场、大气、光压以及跟踪站坐标误差，且其主要影响都具有长波性质，其中影响最大的是重力场模型误差

●卫星测高波形理论与处理方法

1、测高回波形成原理与过程

0〈t

雷达高度计按球形脉冲向海面传播

t=t0时：

在这一瞬间，当入射脉冲接触海面时，它照明海面呈现出一个亮点，同时,反射信号开始反射回卫星

t0

亮点变成圆盘的中心,其面积也增加

t=t1时：

脉冲后缘到达海面，照明圆盘即变成为一个圆环，圆环半径继续增大，同时圆环保持面积大小不变，这种状况一直持续到圆环的外沿增加到雷达波束的边缘

Ø卫星接收机接收到的返回功率正比于照明的海面面积。

Ø回波功率在从t0到t1期间增加很快，一直持续到脉冲后缘到达海面的时刻t1，这之后,功率保持为常数.

Ø事实上,在t1时刻，由于高度计天线模式的作用,非星下点散射的减弱，功率就开始衰减。

2、布朗模型的基本假设

1：

散射面是由足够多的随机独立的散射单元组成

2:

在整个平均回波构成的过程中,整个雷达照明面积内的面高度统计可以假设成是恒定的

3：

散射是一个纯量（无向量）过程,没有极化影响，并且与频率无关

4：

散射过程随入射角（相对于垂直于海面）的变化取决于每单位散射面的后向散射界面和天线模式

5：

由于雷达与照明面积内任何散射元之间的径向速度引起的总的多普勒频率展开小于传播脉冲包络的频率展开

3、测高波形模型公式的基本意义?

P表示平坦表面点目标相应；q表示海面反射点高度的概率密度函数；S为雷达系统点目标相应。

4、图形的几何物理意义

从Off—nadirangle（指向角）分析，卫星指向角越小，海面反射的功率越大。

从海面有效波高（SWH）高度计雷达回波前缘斜率受到星下点处海面状况的影像比较严重,也就是说，与海面有效波高及海面风速关系很大。

●卫星测高数据处理

1、卫星测高数据有哪些基本等级？

等级:

零级产品—Level0，这是原始数据，直接从仪器上获取的数据；

一级产品—Level1，这是用一定的算法，将Level0产品转换成

工程单位的产品,其中的波形采样按18Hz（20Hz）的数据率平均；

二级产品—Level2，这就是地球物理数据,用重新跟踪（Retracking）

将数据转换成地球物理学单位。

Level2产品主要包括时间、地理位置、重新跟踪输出结果（距离、风速、有效波高等）、1Hz（包含一些18Hz）参数（如距离、轨道高度）。

2、地球物理产品有哪些分类和特点？

FDGDR产品即快速发布的GDR（FastDeliveryGDR），一般在三小时之内发布,主要用来进行天气预报、实时海况和海洋环流的应用.

IGDR即中间临时的GDR产品（InterimGDR），在约三天后发布，主要用来对海洋环流的监测和预报应用，这比FDGDR精度要高,但时间稍长（3天）。

GDR和SGDR是最终产品，约30—50天内发布，包含了精密的仪器改正和轨道改正。

而SGDR就是传感器数据,它包含有GDR数据在内，只是在GDR数据的后面增加了波形数据。

3、测高数据编辑的目的？

为了提高观测精度，需要剔除精度低、质量差地观测信息，其中重要一环就是根据一定数据删除准则删除数据,提取高精度信息。

4、为什么进行多测高数据处理时要进行基准统一?

采用椭球参数不同，重力位模型不同，必须通过转换到同一的参考框架下才能进行联合处理。

5、共线法的基本思想是什么？

根据具有重复周期卫星测高任务特点而设计的一种消除卫星轨道误差并确定平均海面及其变化的方法。

参见《卫星测高数据》p20《空间大地测量》p207

6、交叉点平差的主要目的？

交叉点不符值（海面高的差值SSH）是卫星径向轨道误差观测值中的典型反应，通过求取交叉点并进行交叉点平差的方法,可以削弱卫星径向轨道误差、海面时变残差所引起的误差以及系统误差等对测高数据的影响。

7、交叉点计算的主要步骤?

见《卫星测高数据》或《空间大地测量》

●卫星测高反演海洋重力场理论

1、斯托克斯公式:

由已知的重力异常Δg计算大地水准面高N

2、逆斯托克斯公式：

由已知的大地水准面N计算重力异常Δg

3、测高剖面计算垂线偏差

4、Molodensky公式计算高程异常：

垂线偏差计算大地水准面

以上参见《物理大地测量学》都是比较重要的公式！

6、卫星测高数据计算海洋大地水准面的主要步骤？

1、测高观测数据预处理

2、交叉点位置计算

3、交叉点垂线偏差计算

4、利用Molodensky反演大地水准面差距公式计算大地水准面

●卫星测高技术的其它应用

§7.1海面高及其变化监测

§7.2利用卫星测高观测海洋环流

§7。

3利用卫星测高观测海洋潮汐

§7.4利用卫星测高数据反演海底地形

§7。

5内陆湖泊水位及其变化监测

§7。

6极地冰盖高程观测及其变化监测

§7。

7赤道物理过程监测

《卫星测高及应用》这门课涵盖面太广，涉及空间大地测量学、物理大地测量学、波形理论、数据处理等内容，都是不容易懂的理论，请大家慎重！